ВЛИЯНИЕ РЕЦИРКУЛЯЦИИ ОТРАБОТАВШИХ ГАЗОВ НА

УДК 621.436
ВЛИЯНИЕ РЕЦИРКУЛЯЦИИ ОТРАБОТАВШИХ ГАЗОВ
НА ПРОЦЕСС СГОРАНИЯ И ПОКАЗАТЕЛИ РАБОЧЕГО ЦИКЛА
HCCI ДВИГАТЕЛЯ
В.Г. Камалтдинов, В.А. Марков, С.С. Никифоров
THE INFLUENCE OF WASTE GASES RECIRCULATION
ON THE COMBUSTION PROCESS AND HCCI ENGINE WORKING
CYCLE RATES
V.G. Kamaltdinov, V.A. Markov, S.S. Nikiforov
Расчетным исследованием рабочего цикла определен оптимальный
угол максимальной скорости сгорания в HCCI двигателе, при котором дос­
тигаются наилучшие индикаторные показатели. Увеличение степени ре­
циркуляции отработавших газов предложено применять при соответст­
вующем повышении температуры в начале сжатия.
Ключевые слова: HCCI двигатель, рабочий цикл, смесевое топливо, ско­
рость сгорания, индикаторные показатели.
The computational research on working cycle defined the optimal angle of
maximum combustion speed in HCCI engine at which the best rate is achieved.
We offered to apply the increase of waste gases recirculation degree at relevant
elevation of temperature.
Keywords: HCCI engine, working cycle, mixed fuel, combustion speed, indicated
rates.
В последнее время все больше внимания уделяется рециркуляции отработавших газов (ОГ)
двигателей внутреннего сгорания (ДВС) как средству борьбы с их токсичностью. Причем, если
раньше считалось возможным применение рециркуляции ОГ в дизелях только на режимах час­
тичных нагрузок [1, 2], то постепенно, по мере изучения кинетики процессов образования токси­
ческих веществ (прежде всего NOx), все чаще ее рекомендуют для применения при повышенных
нагрузках, несмотря на опасность образования твердых частиц (сажи) из-за недостатка кислорода
в зонах с высокой концентрацией топлива. Реально исследована работа дизеля со степенью ре­
циркуляции ОГ до 50...60 % [2], но предельная рациональная ее величина до настоящего време­
ни фактически не определена.
Для проверки эффективности применения рециркуляции отработавших газов в HCCI двига­
теле (двигателе с объемным самовоспламенением гомогенного заряда от сжатия) по разработан­
ной программе [3] выполнены поисковые расчетные исследования рабочего цикла при изменении
коэффициента остаточных газов (γ00τ) с шагом 0,05 в широком диапазоне (от 0 до 0,3), соответст­
вующем разработкам перспективных дизелей. В программе реализована оригинальная методика
расчета процесса сгорания в двигателях с воспламенением от сжатия при нестационарном теплои массообмене [4], основанная на новой модели процесса горения топлива в ДВС [5]. Адекват­
ность методики проверена путем сравнения результатов расчетов с экспериментальными данны­
ми, полученными при исследованиях двигателя производства Yanmar Co. Ltd (диаметр цилиндра 0,092 м, ход поршня - 0,096 м, степень сжатия - 17,7 м) на постоянной частоте вращения колен­
чатого вала 960 мин-1 при различном составе двухкомпонентного топлива [6], на которые ориен­
тируются при верификации расчетных моделей многие авторы [7-9]. Расчетные кривые давления
по разработанной методике удовлетворительно согласовались с экспериментальными данными
как по углу начала сгорания, так и по величине и скорости нарастания давления в исследованном
диапазоне изменения коэффициентов избытка воздуха диметилового эфира (ДМЭ) и природного
газа (а ДМ э= 6,5... 15,5 и апг=4...7,1) [10].
В качестве топлива в проведенных расчетных исследованиях рабочего цикла HCCI двигате­
ля использовалось такое же двухкомпонентное топливо, как наиболее перспективное, по мнению
50
Вестник ЮУрГУ, № 11, 2011
Камалтдинов В.Г., Марков В.А., Никифоров С.С.
Влияние рециркуляции отработавших газов
на процесс сгорания и показатели...
многих авторов. Оно легко образует гомогенную смесь с воздухом во впускном трубопроводе.
Как показали выполненные ранее расчетные исследования [11, 12], момент самовоспламенения в
цилиндре можно регулировать изменением не только температуры этой смеси на впуске, но и
температуры огневой поверхности цилиндра, а величиной цикловой подачи ДМЭ можно под­
держивать среднее индикаторное давление рабочего цикла на заданном уровне.
В результате увеличения
повышается загазованность свежего заряда отработавшими га­
зами. Это приводит к замедлению развития процесса сгорания и уменьшению максимальной ско­
рости нарастания давления
Угол максимальной скорости сгорания
соответственно
увеличивается: основное тепловыделение перемещается на линию расширения.
Серия «Машиностроение», выпуск 17
51
Расчет и конструирование
Одновременно снижаются максимальные температура и давление в цилиндре. Чем выше
температура в начале сжатия, тем в меньшей степени сказывается загазованность свежего заряда.
Так если при температуре Та = 350 К увеличение коэффициента остаточных газов уост от 0 до 0,18
(граница стабильного воспламенения при этой температуре в начале сжатия) приводит к резкому
падению максимальных давления и температуры соответственно на 4,43 МПа (53 %) и 283 К
(13,6 %), то при температуре Та = 360 К уменьшение максимального давления составляет всего
0,81 МПа (9,2 %), а максимальной температуры - на 74 К (3,4 %). А при температуре Та = 370 К и
уост = 0,2 снижение ртх и Γ^ χ еще меньше (см. рис. 1). И только при увеличении коэффициента
остаточных газов до 0,3 и сохранении Та на прежнем уровне снижение максимальной температу­
ры сгорания составляет 114 К (от Т^* = 2220 К при уост = 0 до Т^^ = 2106 К при уост = 0,3) или
- 5 , 1 %, а максимального давления сгорания при тех же условиях - на 1,02 МПа, или ~ 11,6 %. На
рис. 1 приведены границы стабильного воспламенения по величине коэффициента остаточных
газов для соответствующей температуры Та, при превышении которых воспламенение в цилинд­
ре происходит сначала с пропусками, а затем полностью прекращается.
Максимальная скорость нарастания давления Wp maX имеет аналогичную зависимость от ве­
личины коэффициента остаточных газов и температуры в начале сжатия, что и максимальное
давление сгорания (см. рис. 1). При наиболее высокой температуре Та = 370 К увеличение ко­
эффициента остаточных газов уост от 0 до 0,3 приводит к существенному снижению Wpimx
(с ~ 4,0 МПа/град п.к.в. до ~ 2,7 МПа/град п.к.в. или на 32,5 %). При наиболее низкой исследо­
ванной температуре Та = 350 К увеличение коэффициента остаточных газов уост от 0 всего до 0,18
приводит к резкому падению максимальной скорости нарастания давления на границе стабиль­
ного воспламенения (с ~ 3,6 МПа/град п.к.в. до ~ 0,4 МПа/град п.к.в. или на 88,9 %). Отдельные
ее отклонения в сторону уменьшения вызваны конечной величиной шага расчета и связаны с тем,
что в этих случаях (при постоянно возрастающей скорости сгорания) топливо заканчивалось
внутри шага расчета (1 град п.к.в.), тем самым, ограничивая расчетное тепловыделение в течение
этого градуса п.к.в. и, соответственно, максимальную скорость нарастания давления. Это под­
тверждается результатами расчетов на режимах, температуры Та которых отличаются на
0,2...0,5 К по сравнению с режимами, при которых получены заниженные максимальные скоро­
сти нарастания давления. Даже такие незначительные изменения температуры за счет смещения
процесса сгорания на доли град п.к.в. приводят к резкому увеличению Wp „^ до уровня, соответ­
ствующего кривым на графике (см. рис. 1). Остальные параметры процесса сгорания и индика­
торные показатели при этом практически не изменяются.
Замедление развития процесса сгорания с ростом загазованности свежего заряда приводит к
подавлению активного тепловыделения. Но при повышении температуры в начале сжатия влияние
загазованности снижается. Так при температуре в начале сжатия 350 К стабильное сгорание сохра­
няется при увеличении коэффициента остаточных газов до уровня 0,18. Здесь основное тепловыде­
ление происходит очень поздно: aWcrmax = 385 град п.к.в. При больших значениях у^т сначала рабо­
чие циклы с поздним сгоранием чередуются с циклами без активного тепловыделения, а затем вос­
пламенение совсем прекращается. При температуре в начале сжатия 360 К стабильное сгорание
сохраняется при большем значении коэффициента остаточных газов (до 0,28). Здесь основное теп­
ловыделение происходит при aWcrmax = 375 град П.К.В. И только при температуре в начале сжатия
370 К стабильное сгорание сохраняется во всем исследованном диапазоне коэффициента остаточ­
ных газов. Угол максимальной скорости сгорания при у ^ = 0,3 составляет 366 град п.к.в.
Влияние загазованности свежего заряда на развитие процесса сгорания соответствующим
образом отражается на индикаторных показателях рабочего цикла. Чем меньше температура на­
чала сжатия в исследованном диапазоне, тем сильнее влияние коэффициента остаточных газов
Уост на индикаторный КПД η ί; среднее индикаторное давление р\ и удельный индикаторный рас­
ход топлива & (рис. 2).
Видно, что увеличение уост при температуре Та = 350 К приводит к однозначному и значи­
тельному ухудшению всех индикаторных показателей. При температуре в начале сжатия 360 К
сначала с ростом уост от 0 до 0,15 индикаторные показатели несколько улучшаются, но дальней­
шее увеличение уост до 0,28 приводит к их существенному ухудшению. При температуре Та =
= 370 К любое увеличение загазованности (кроме уост = 0,3) однозначно приводит к улучшению
индикаторных показателей.
52
Вестник ЮУрГУ, № 11, 2011
Камалтдинов В.Г., Марков В.А., Никифоров С.С.
Влияние рециркуляции отработавших газов
на процесс сгорания и показатели...
Анализ результатов расчетов показал, что
в зависимости от величины коэффициента ос­
таточных газов наилучшие показатели по ин­
дикаторному КПД η„ среднему индикаторно­
му давлению /?, и удельному индикаторному
расходу топлива g, достигаются в рабочих
циклах с различной температурой начала сжа­
тия. При коэффициентах остаточных газов от
О до 0,1 наилучшие показатели получаются
при температуре Та = 350 К. Дальнейшее уве­
личение уост до 0,15...0,25 приводит к тому, что
лучшие индикаторные показатели достигаются
при температуре начала сжатия 360 К. А при
коэффициенте остаточных газов 0,3 - при Та =
= 370 К. Обобщая эти зависимости, можно от­
метить, что наибольшие значения η, и pt и
наименьшее значение g, получены при наи­
меньших температуре Та = 350 К и уост = 0.
Для итоговой оценки влияния загазован­
ности свежего заряда продуктами сгорания
при рециркуляции отработавших газов на по­
казатели рабочего цикла HCCI двигателя про­
ведены расчетные исследования по определе­
нию для каждого коэффициента остаточных
газов оптимальной температуры начала сжа­
тия, при которой достигаются наилучшие по­
казатели рабочего цикла. На рис. 3 приведены
полученные зависимости оптимальной температуры начала сжатия Тл опт и соответствующие этим
режимам суммарный коэффициент избытка воздуха смеси топлив α™, индикаторные показатели
рабочего цикла (η„ /?, и g,), максимальные давление р^ и температура Τ„αΧ, скорость нарастания
давления в цилиндре Wp „их.
При отсутствии остаточных газов (гипотетический случай) наилучшие индикаторные пока­
затели достигаются при температуре Та = 348 К (см. рис. 3). С ростом уост до 0,3 оптимальная тем­
пература Τа опт увеличивается до 370 К. В соответствии с этим при постоянных цикловых подачах
топлив суммарный коэффициент избытка воздуха смеси топлив а™ снижается с 2,11 до 1,4. Од­
новременно снижаются индикаторный КПД (с 0,463 до 0,45 или на ~ 2,8 %) и среднее индика­
торное давление (с 0,617 до 0,599 МПа или на ~ 2,9 %), а удельный индикаторный расход топли­
ва, наоборот, увеличивается (с 175,7 до 181,1 г/кВтч или на ~ 3,0 %).
Анализ теплового баланса в конце процесса расширения показал, что ухудшение индика­
торных показателей (около 2,9 %) вызвано уменьшением индикаторной работы цикла (на 36 Дж
или 2,93 %). Это уменьшение произошло в результате незначительного снижения полноты сгора­
ния смесевого топлива (тепловыделение при сгорании уменьшилось на 13 Дж или 0,5 %), увели­
чения теплоотдачи в стенки цилиндра (на 13,4 Дж или 2,26 %), увеличения внутренней энергии
рабочего тела вследствие повышения теплоемкости из-за большего содержания трехатомных га­
зов: диоксида углерода и воды (на 9,6 Дж или 1,27 %).
В связи с ростом температуры в начале сжатия несколько увеличивается максимальная тем­
пература рабочего тела в цилиндре с 2068 К до 2106 К (всего на 38 К или 1,8 %) (см. рис. 3). В то
же время максимальное давление в цилиндре наоборот снижается с 8,14 МПа до 7,8 МПа (всего
на 0,34 МПа или 4,2 %).
Здесь следует отметить, что параметры, характеризующие динамику тепловыделения в ци­
линдре ДВС, в исследованном диапазоне коэффициента остаточных газов у0Ст (от 0 до 0,3) изме­
нялись незначительно. Например: угол максимальной скорости тепловыделения aWcr „^ находил­
ся на уровне 366...367 град п.к.в. Как показали результаты предыдущих расчетных исследований,
в рабочих циклах с таким законом тепловыделения достигалась наименьшая теплоотдача в стенСерия «Машиностроение», выпуск 17
53
Расчет и конструирование
ки цилиндра. Максимальная скорость нарастания давления постепенно снижалась с уровня
3,3· -3,4 МПа/град п.к.в. при уост = 0..Д2 до ~ 3,1 МПа/град п.к.в. при γοοτ = 0,3 (всего на
~ 0,3 МПа/град п.к.в. или около 10 %).
Приведенный анализ результатов расчетных исследований влияния степени рециркуляции
ОГ на процесс сгорания и показатели рабочего цикла HCCI двигателя, работающего на смеси
природного газа и ДМЭ, позволяет сделать следующие выводы.
1. Увеличение содержания ОГ в свежем заряде при сохранении температуры в начале сжа­
тия приводит к замедлению развития процесса сгорания, увеличению угла максимальной скоро­
сти сгорания и снижению основных его показателей (максимальных скорости, температуры и
давления сгорания) вследствие пропорционального уменьшения суммарного коэффициента из­
бытка воздуха смеси топлив. Причем, чем меньше температура в начале сжатия, тем сильнее ска­
зывается загазованность свежего заряда, и при меньшем коэффициенте остаточных газов пре­
кращается стабильное воспламенение: при температуре Та = 350 К граница стабильного воспла­
менения составляет 0,18.
Рис. 3. Зависимость оптимальной температуры в начале сжатия
и соответствующих ей индикаторных показателей рабочего
цикла и максимальных давления, температуры и скорости
нарастания давления от коэффициента остаточных газов
2. При любой степени рециркуляции ОГ наилучшие индикаторные показатели получаются в
рабочих циклах, когда максимальная скорость сгорания приходится на угол 366...367 град п.к.в.
от начала цикла, при котором достигаются наименьшие тепловые потери в стенки цилиндра для
закона тепловыделения, характерного HCCI двигателям.
3. При увеличении степени рециркуляции ОГ и сохранении температуры в начале сжатия
индикаторные показатели изменяются в соответствии с соотношением угла максимальной скоро­
сти сгорания в данном рабочем цикле и оптимальной его величины (366...367 град п.к.в.). При­
чем, при более раннем тепловыделении индикаторные показатели ухудшаются значительно
меньше, чем при более позднем, когда появляется опасность пропусков воспламенения.
54
Вестник ЮУрГУ, № 1 1 , 2011
Камалтдинов В.Г., Марков В.А., Никифоров С.С.
Влияние рециркуляции отработавших газов
на процесс сгорания и показатели...
4. Наилучшие индикаторные показатели достигаются при отсутствии остаточных газов (ги­
потетический случай) и температуре Та = 348 К: индикаторный КПД η, = 0,463, среднее индика­
торное давление р, = 0,617 МПа и удельный индикаторный расход топлива g, = 175,7 г/(кВт-ч).
5. При увеличении степени рециркуляции ОГ от 0 до 0,3 оптимальная температура в начале
сжатия, при которой обеспечивается угол максимальной скорости сгорания на уровне 366...367
град п.к.в., увеличивается от 348 до 370 К. При этом максимальная температура сгорания увели­
чивается на 1,8 %, максимальное давление сгорания и максимальная скорость его нарастания на­
оборот уменьшаются на 4,2 % и 10 % соответственно, а индикаторные показатели рабочего цикла
ухудшаются на ~ 2,9 %.
Представленная работа выполнена при поддержке федеральной целе­
вой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной
России» на 2009-2013 годы.
Литература
1. Марков, В.А. Токсичность отработавших газов дизелей / В.А. Марков, P.M. Баширов, И.И.
Габитов. — 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2002. - 376 с.
2. Исследование нерегулируемых токсичных выбросов в дизелях при ультравысокой степени
рециркуляции отработавших газов / Li Tie, Izumi Hiroyuki, Shudo Toshio, Ogawa Hideyuki (Hok­
kaido University, Japan). Nihon kikai gakkai ronbunshu. B=Trans. Jap. Soc. Mech. Eng. - 2007. 73 (728).-P. 1129-1134.
3. Свидетельство ΦΓΎ ФИПС № 2010617228. Программа расчета рабочего цикла двигате­
ля с воспламенением от сжатия «Рабочий цикл»/В.Г. Камалтдинов. -Выдано 29.10.2010г.
4. Камалтдинов, В.Г. Методика расчета процесса сгорания в двигателях с воспламенением
от сжатия при нестационарном тепло- и массообмене / В.Г. Камалтдинов, Г.Д. Драгунов,
В.А. Марков // Двигатель-2010: сб. науч. тр. междунар. конф., посвященной 180-летию МГТУ
им. Н.Э. Баумана. - М.: Изд-во МГТУ им Н.Э. Баумана, 2010. - С. 226-230.
5. Камалтдинов, В.Г. Новая модель процесса горения топлива в ДВС / В.Г. Камалтдинов //
Двигателестроение. - 2008. - № 3 (233). -С. 17-20.
6. Experimental study of CI natural-gas/DME homogeneous charge engine / Z. Chen, M. Konno,
M. Oguma, T. Yanai/J SAE Paper 2000-01-0329.
7. Гусаков, СВ. Опыт моделирования рабочего процесса ДВС с воспламенением гомогенного
заряда от сжатия / СВ. Гусаков, Махмуд Мохаммед Эль Гобаши Эль Хагар // Вестник Российского
университета дружбы народов. Серия «Инженерные исследования». - 2004. — №2(9). — С. 25-28.
8. Математическое моделирование индикаторного процесса в двигателе с самовоспламене­
нием от сжатия гомогенной метановоздушной смеси / Г.Н. Злотин, Е.А. Федянов, Е.М. Иткис,
В.Н. Кузьмин // Двигателъ-2007: сб. науч. тр. междунар. конф., посвященной 100-летию школы
двигателестроения МГТУ им. Н.Э. Баумана. -М.: МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2007. - С. 57-61.
9. Kong, S. С. A study of natural gas/DME combustion in HCCI engines using CFD with detailed
chemical kinetics/S.C. Kong//Fuel 86. - 2007. - P. 1483-1489.
10. Камалтдинов, В.Г. Влияние состава двухкомпонентного топлива на процесс сгорания в
двигателе с объемным самовоспламенением от сжатия / В.Г. Камалтдинов, Е.В. Абелиович //
ВестникЮУрГУ. Серия «Машиностроение». -2008. —Вып. 12 —№23(123). - С. 46-53.
11. Камалтдинов, В.Г. Управление рабочим процессом в HCCI двигателе / В.Г. Камалтди­
нов, С.С. Никифоров//Двигателестроение. — 2010. -№ 3 (241). - С. 3-9.
12. Камалтдинов, В.Г. Расчетное исследование процесса сгорания и показателей рабочего
цикла HCCI двигателя, работающего на смеси природного газа и диметилового эфира / В.Г. Ка­
малтдинов, В.А. Марков // Автогазозаправочный комплекс + альтернативное топливо. - 2010. № 6 (54). - С. 8-15.
Поступила в редакцию 31 января 2011 г.
Камалтдинов Вячеслав Гилимянович. Кандидат технических наук, доцент кафедры «Двига­
телей внутреннего сгорания», Южно-Уральский государственный университет. Область научных
интересов - процессы смесеобразования, воспламенения и сгорания в дизелях. Тел.: 89517770011,
e-mail: vkamaltdinov@yandex.ru
Серия «Машиностроение», выпуск 17
55
Расчет и конструирование
Vyacheslav G. Kamaltdinov. The candidate of engineering science, docent of Internal Combustion
Engine department of South Ural State University. The area of scientific - diesel engine fuel-air mixing, in­
flammation, and combustion processes. Tel.: 89517770011, e-mail: vkamaltdinov@yandex.ru
Марков Владимир Анатольевич. Доктор технических наук, профессор кафедры «Теплофизи­
ка», Московский государственный технический университет им. Н.Э. Баумана. Область научных ин­
тересов - автоматическое управление, регулирование, топливоподача и токсичность дизелей. Тел.:
8(499)263-69-18, e-mail: markov@power.bmstu.ru
Vladimir A. Markov. The doctor of engineering science, professor of Heat Physics department of the
Bauman Moscow State Technical University. The area of scientific - automated control, regulation, supply
of fuel and toxicity of diesel engine. Tel: 8(499)263-69-18, e-mail: markov@power.bmstu.ru
Никифоров Сергей Степанович. Кандидат технических наук, доцент кафедры «Автомобилей»,
Южно-Уральский государственный университет. Область научных интересов - процессы смесеоб­
разования, воспламенения и сгорания в дизелях. Тел.: 89049405380, e-mail: nss@susu.ac.ru
Sergey S. Nikiforov. The candidate of engineering science, docent of Automotive department of
South Ural State University. The area of scientific - diesel engine fuel-air mixing, inflammation, and com­
bustion processes. Tel.: 89049405380, e-mail: nss@susu.ac.ru
56
Вестник ЮУрГУ, № 11, 2011